卟啉的生物合成途徑與化學合成方法的比較*

蘇優拉 張逸 李嘉賓 陸軍農

(1中國藥科大學2010屆基地班本科生；2中國藥科大學2010屆制藥工程專業本科生；3中國藥科大學無機化學教研室 藥學基礎化學實驗中心 江蘇南京 211198)

在自然界的生命體中，有一些化合物發揮著非常重要的作用，比如：葉綠素，其介導的光合作用將光能轉化為化學能儲存于植物體中，是地球上有機體生存和發展的源泉；細胞色素C，能促進氫與氧的結合，加強體內的氧化供能反應，是細胞呼吸過程中電子傳遞體的主要組成部分；血紅素，作為血紅蛋白和肌紅蛋白的核心結構域，負責氧氣和二氧化碳的轉運，在生物體的新陳代謝中起著舉足輕重的作用。令人驚奇的是，這些化合物雖然在生物體中所處部位不同、所起作用迥異，但是，它們都含有一個共同的核心結構——卟啉。

卟啉是在卟吩環上擁有取代基的一類大環化合物的總稱。卟吩是由4個吡咯環和4個次甲基橋聯起來的大π共軛體系，其結構如圖1所示。天然卟啉類化合物一般是卟吩的吡咯環上的氫被不同基團取代所形成的，例如圖1中的血紅素、葉綠素和細胞色素C。卟啉的化學合成方法雖然早在1935年就被首次報道，近年來也進行了一系列的改進，但仍存在產率低、產物分離困難、能合成的卟啉種類有限等缺點。本文介紹卟啉的生物合成途徑以及近年來的一系列文獻報道的化學合成方法，并嘗試通過比較分析，找尋它們之間存在的聯系。

圖1 重要的卟啉類化合物

1 卟啉的生物合成途徑

卟啉的生物合成幾乎存在于所有真核細胞中，可分為6步(圖2)，即：①δ-氨基-γ-酮戊酸(ALA)的形成;② 吡咯單元(PBG)的形成;③ 尿卟啉原Ⅲ(含HMB中間體)的形成;④ 尿卟啉原Ⅲ的氧化;⑤ 糞卟啉原Ⅲ的氧化;⑥ 原卟啉原Ⅸ的氧化。其中，第②步縮合、第③步環合和第⑥步氧化涉及卟啉環骨架的構建，而第④步和第⑤步只是對卟啉環上側鏈的修飾。

圖2 卟啉類化合物的生物合成途徑[1-2]

1.1 ALA的形成

ALA的形成是卟啉生物合成中的第一步，也是限速步驟[2]。在生物體中，ALA可由兩條途徑形成(圖3)。Shemin途徑[4]由David Shemin于1945年首次發現并逐步完善，主要存在于不進行光合作用的真核生物中，如動物和真菌[5]。ALA合成酶末端含一個賴氨酸(Lys)殘基，當沒有底物時,輔基磷酸吡哆醛(pyridoxal-5′-phosphate,PLP)與其形成Schiff堿，存在底物甘氨酸(Gly)時,Gly與PLP形成Schiff堿再和琥珀酰CoA縮合形成ALA的同時釋放CO2[3]。Beale等于20世紀70年代中期發現了以谷氨酸(Glu)為起始原料的C5途徑[6]。它存在于植物、大多數細菌和所有古細菌中。C5途徑主要依賴3種酶，連接酶通過形成谷氨酰基-1-tRNA激活1位羧基，還原酶將羧基還原為醛基，再經轉氨酶的作用形成ALA[3]。在少數幾種生物中也發現兩條途徑都存在[5]。

圖3 ALA形成的兩種途徑[3]

1.2 PBG的形成

兩分子ALA之間不對稱縮合產生第一個吡咯衍生物——PBG(porphobilinogen)[5](圖4)。反應機制與Knorr吡咯縮合反應相似，首先，2個ALA分子與酶活性部位的保守Lys殘基形成Schiff堿，P位ALA分子的C4和A位ALA分子的C3進行Aldol縮合形成C—C鍵，接著P位ALA分子的氨基進攻羰基碳原子形成C—N鍵[7]。

圖4 兩分子ALA 縮合形成PBG

1.3 HMB的形成及其轉化為尿卟啉原Ⅲ

圖5 尿卟啉原的形成(HMB中間體)[3,10,13]

4分子PBG縮合形成尿卟啉原Ⅲ(uroporphyrinogen Ⅲ)是卟啉環生成的一個關鍵步驟，很多人對其具體過程提出了不同的猜想[8-10]。1980年Battersby A.R.等通過同位素標記證明了HMB(1-hydroxymethylbilane，羥甲基膽色烷)是尿卟啉原Ⅲ合成過程中的中間體;1987年他們又發現了新型輔基——二吡咯甲烷(dipyrromethane,DPM)[11]，為闡明具體步驟奠定了基礎。尿卟啉原Ⅲ的形成由兩種酶共同完成(圖5)。首先，脫氨酶將4個PBG組裝形成開鏈HMB;在此過程中,先合成出二吡咯甲烷輔助因子，與脫氨酶末端的半胱氨酸巰基以硫醚鍵相結合，DPM再和4分子底物相連接；當DPM上連有4個吡咯單體時，a環和DPM之間的鍵斷裂形成HMB。第二步，HMB被轉運到尿卟啉原Ⅲ合成酶上，在環合的同時，d環重排生成尿卟啉原Ⅲ[12]。在無尿卟啉原Ⅲ合成酶時，HMB在酸催化下迅速形成有毒性的不被代謝的尿卟啉原Ⅰ。值得注意的是，編碼兩種酶的基因位于同一操縱子內，兩個基因協同表達[5]，但尿卟啉原Ⅲ合成酶的表達量遠遠超過脫氨酶，以保證在生理條件下總是生成尿卟啉原Ⅲ[8]。

1.4 尿卟啉原Ⅲ—糞卟啉原Ⅲ—原卟啉原Ⅸ

尿卟啉原脫羧酶(uroporphyrinogen Ⅲ decarboxylase,UROD)和糞卟啉原氧化酶(coproporphyrinogen Ⅲ oxidase,CPOs)催化卟啉環側鏈的修飾(圖6)。在生理底物濃度下，4個環的脫羧作用是按d→a→b→c的順序發生；當底物濃度超過生理濃度時，脫羧作用以隨機方式發生[5]。脫羧后生成的糞卟啉原Ⅲ(coproporphyrinogen Ⅲ)在哺乳動物中，經過位于線粒體外膜的依賴O2的CPOs催化，最終把電子傳遞給O2。此過程不需要金屬和輔助因子輔助[2]，CPOs的催化機理至今仍不清楚[5]，詳細過程見文獻[14]。

圖6 卟啉環側鏈的修飾[2]

1.5 原卟啉原Ⅸ的氧化[15]

原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen Ⅸ oxidase, PPOs)位于線粒體內膜的外表面，以O2作為最終的電子受體，以FAD為輔助因子，催化原卟啉原Ⅸ(protoporphyrinogen Ⅸ)的氧化,最終形成完全共軛的大環體系(圖7)。生成的原卟啉Ⅸ(protoporphyrin Ⅸ)被直接轉運到亞鐵螯合酶上，以避免其對細胞的損害(原卟啉Ⅸ對光高度敏感，在O2存在下，經光照射會產生自由基)。

圖7 原卟啉原Ⅸ的氧化

2 卟啉的化學合成方法總結

目前，卟啉的化學合成方法主要有兩種：① 4個吡咯單體直接縮合環化生成卟啉(簡稱四吡咯合成法)；② 模塊法。合成方法和路線的選擇取決于目標卟啉分子的結構特點，中位對稱取代的卟啉主要用四吡咯合成法，而不對稱卟啉、天然卟啉及其類似物主要采用模塊法合成。

2.1 四吡咯合成法

2.1.1 Rothemund法

卟啉類化合物最早由Rothemund合成[16]。Rothemund法以醛類化合物(甲醛、乙醛、苯甲醛等)和吡咯為原料，以吡啶和甲醇為溶劑在封管中反應，90～95℃下反應24～48h(圖8)。該法反應時間長，所需反應條件苛刻，而且后處理非常麻煩，產率很低；在此條件下，能用來作反應物的取代苯甲醛極少[17]。

圖8 Rothemund法

2.1.2 Adler-Longo法及其改進

Adler和Longo等以有機質子酸作催化劑成功地制備了卟啉，并在1964年提出了卟啉生成的反應機理[18]。該法采用苯甲醛和吡咯在丙酸中回流反應30min，經冷卻、過濾、洗滌及真空干燥，得到四苯基卟啉，產率達20%(圖9)。此法的優點是操作比較簡單，實驗條件不算苛刻，產率較高。但由于反應條件的限制，一些帶敏感基團的取代苯甲醛不能用作原料，帶有強吸電子基的苯甲醛為底物時產率特別低；反應極易產生大量焦油狀物，導致純化非常困難；另外反應中的副產物四苯基二氫卟啉與四苯基卟啉分離較困難[17]。

圖9 Adler-Longo法

潘繼剛等[19]對Adler-Longo法作了進一步調整，他們采用催化量的有機酸和極性溶劑代替丙酸介質，反應過程中產生的雜質明顯減少，四苯基卟啉的產率最高達到50%。研究溶劑和催化劑對反應的影響，發現H+在反應過程中起催化劑的作用，pKa2.0～4.0的酸作催化劑，合成產率較高。以二甲苯、甲苯、氯苯、硝基苯、苯甲醚為溶劑，四苯基卟啉產率較高，可達30%～50%。

2.1.3 Lindsey法及其改進

Lindsey等[20]進一步改進了四苯基卟啉的合成，采用苯甲醛和吡咯在氮氣保護下，在二氯甲烷中，以三氟化硼和乙醚絡合物催化，整個反應分兩步進行，先得到卟啉合成的中間體卟啉原(porphyrinogen)，然后，以二氯二腈基苯醌(DDQ)或四氯苯醌(TCQ)將卟啉原氧化得到最終產物卟啉，從而使反應可以在常溫下進行。近20年來，Lindsey小組進一步研究了此一鍋兩步合成法的影響因素，發現酸催化劑的種類和用量、醛和吡咯上的取代基以及反應物濃度均會影響反應產率，并對主要副產物——鏈狀聚合物的組成進行了分析[22-24]。由于Lindsey法的反應溫度較低，較少產生焦油狀副產物，目標產物的分離提純較容易；同時較低的反應溫度也允許反應物先經過化學修飾，連接上一些敏感基團，平均產率可達45%～50%(圖10)。但該反應濃度低，且最大反應容積為1L，放大后效果不好[21]。反應條件較苛刻，需要無水無氧操作，且反應還不能一步生成四苯基卟啉，必須在反應過程中另外加入氧化劑。

圖10 Lindsey法

郭燦城等[25]采用N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，無水AlCl3為催化劑，苯甲醛和吡咯縮合生成四苯基卟啉，產率可達30%，高于Adler法。反應過程中不需氮氣保護，產物不含副產物四苯基二氫卟啉，并且反應時間也較短，為2h。該方法的應用范圍較廣，對于以取代苯甲醛為原料的合成反應，產率在25%～30%之間。缺點是催化劑AlCl3易與水反應，給產物的分離造成困難。

Adler-Longo法和Lindsey法是目前應用比較廣泛的兩種方法。它們的主要區別在于所用的催化劑不同，Adler-Longo法用有機質子酸作為催化劑，而Lindsey法則用Lewis酸作為催化劑。

2.1.4 微波催化合成法

1986年,Gedye等[26]發現微波可顯著加快有機合成反應速率。從此，微波在合成化學領域迅速得到重視。以二甲苯為溶劑，對硝基苯甲酸為催化劑使苯甲醛和吡咯在微波爐內反應20min，可以得到卟啉，產率為9.5%[27]。微波輔助合成卟啉在我國發展較快，研究表明微波作用的時間與強度、溶劑及催化劑的選擇、反應試劑的組成及用量等均對卟啉的合成有較大的影響。此法避免了傳統加熱合成方法的反應時間較長(一般需回流2～3h)、副反應多、產率不高且產物難提純等缺點，且符合節能環保、綠色化學的發展趨勢[28]。

2.2 模塊法

模塊法主要包括[2+2]和[3+1]兩種方法。

[2+2]合成亦稱MacDonald方法[29]， 即兩分子二吡咯甲烷縮合產生卟啉母核。該法可方便地合成具有C2對稱軸的四苯基卟啉，也稱為trans-卟啉，還可合成中位是4個不同芳基取代的卟啉。近年來，隨著原料二吡咯甲烷衍生物合成方法的逐步改進和優化，可以合成的衍生物種類逐漸增多，產率也得到了提高，使[2+2]法的應用范圍越來越廣[30]。

[3+1]法是由MacDonald方法衍生出來的，將一個由兩個橋碳原子連接的3個吡咯環組成的膽色素分子和一分子a,a′-二甲酰基吡咯環合得到卟啉的合成方法。此方法總產率較低，能合成一些結構復雜且較為特殊的卟啉，主要用于擴充卟啉的種類[31]。

關于卟啉化學合成方法更詳細的總結可參考文獻[32]。

3 化學合成和生物合成之間的聯系

3.1 起始原料

化學合成和生物合成兩種途徑都以單個吡咯環作為合成卟啉環的起始原料。不同的是，化學合成通常以吡咯或取代吡咯以及醛類為原料，而生物合成途徑中由兩個ALA分子通過類似Knorr吡咯縮合產生的帶亞甲氨基側鏈的吡咯單元(PBG)作為起始原料。

3.2 單體吡咯的聚合方式

在生物合成和化學合成過程中，吡咯都是通過質子化、脫氨或脫水、再去質子的3步循環逐步加成形成聚合物。在此過程中都會產生活潑烯鍵，以促進吡咯的聚合(圖11)。在生物合成中，吡咯單元(PBG)自身帶有亞甲氨基側鏈(來自甘氨酸)，側鏈脫氨之后形成烯鍵而被活化;而在化學合成中則是吡咯進攻醛基，產生帶羥基的側鏈，羥基質子化脫水后形成烯鍵而被活化。

圖11 單體吡咯聚合的可能機理(a)生物合成；(b)化學合成

3.3 鏈狀吡咯聚合物環合形成卟啉原

兩種途徑都是單體吡咯先聚合成鏈狀吡咯聚合物，然后4個吡咯單體經亞甲基橋再進一步環合成卟啉原(圖12)。在生物合成途徑中，PBG脫氨酶與輔助因子DPM和吡咯聚合物形成復合物，當連有4個吡咯時，環a和酶之間的鍵會水解斷裂形成鏈狀HMB。其原因至今仍是一個謎，可能與酶的空間結構和新型輔助因子二吡咯甲烷有關；可能類似于生物體內多糖和多肽的形成過程。

根據Adler等提出的機理，化學合成時吡咯和醛類先形成長短不一的鏈狀聚合物，推測反應中形成的焦油狀副產物很可能是吡咯和醛類的鏈狀聚合物或者吡咯自身的聚合物。主要生成環狀四聚體可能與卟啉獨特的空間結構的穩定性有關。

在環合時，生物合成途徑有一步特有的環翻轉過程，HMB的亞甲基被活化后，進攻與其距離較遠的C16，與C16環合形成螺中間體，d環翻轉，碳鏈在另一處斷裂再環合形成尿卟啉原Ⅲ。而化學合成沒有環的翻轉過程，活潑烯鍵直接與C19環合形成卟啉環，與體內尿卟啉原Ⅰ的形成過程類似。

3.4 卟啉原氧化形成大環共軛的卟啉

在生物合成中，原卟啉原Ⅸ在PPOs的催化下形成大環共軛的卟啉。PPOs以二聚體形式存在，由3個結構域組成(圖13)，分別為FAD結合域、底物結合域和膜結合域。原卟啉原氧化酶的輔助因子FAD發揮重要的電子傳遞作用，以O2作為最終的電子受體，因其每次只能轉移兩個電子，所以要經過3個獨立的循環才能氧化完全，產生二氫卟啉和四氫卟啉中間體(圖14)。當酶與底物結合時，底物帶負電荷的丙酸基側鏈與酶的精氨酸殘基結合,使底物以一定方向被固定在酶上，只能以a環和d 環間的亞甲基橋通過酶的狹縫與FAD的N5原子接觸，環上的氫原子通過亞胺-烯胺互變異構重排并逐步被氧化。

圖12 由吡咯單體形成卟啉原的過程(a)生物合成；(b)化學合成

圖13 原卟啉原氧化酶的空間結構[15]

圖14 生物合成中原卟啉原Ⅸ的氧化[18,33-34,41]

在化學合成中，4分子醛與吡咯縮合，最終環合后產生卟啉原。1970年，Dolphin等證實卟啉原確實是卟啉合成過程的中間體[31]。卟啉原不穩定，極易被氧化，但在一般條件下氧化又不完全，產生的二氫卟吩混在卟啉中很難除去[35]。在反應中加入氧化劑或在反應結束后再進一步氧化能提高產率。硝基苯[36]、DMSO[37]、DDQ[20]以及最近文獻報道的MnO2[38]和SeO2[39]等均能作為氧化劑，實現從卟啉原到卟啉的氧化，但氧化反應的具體機理至今仍不太清楚。

在卟啉原的氧化過程中，生物合成和化學合成都是通過互變異構轉移H—N和H—C，逐步延長共軛鏈，產生二氫卟啉和四氫卟啉的中間體并最終形成大環共軛的卟啉。不同的是在生物合成過程中，底物被酶包裹，由于酶對底物的固定作用，卟啉原上所有的氫必須都轉移到C20上才能被氧化；而且由于酶蛋白對底物的穩定作用，中間體二氫卟啉和四氫卟啉可以以不太穩定的形式存在。而在化學合成過程中，氧化反應可以在任一亞甲基橋上發生，而且氧化后氫轉移的最終結果要保證共軛鏈的延伸，中間體二氫卟啉和四氫卟啉要以相對穩定的形式存在。

4 總結和展望

近年來，由于卟啉類化合物獨特的分子結構，在仿生學、藥物化學、分析化學、光物理與化學、材料化學、電化學、催化化學等領域中被廣泛地研究與應用，但是較低的化學合成產率限制了進一步發展。本文通過比較卟啉的生物合成途徑和化學合成方法，嘗試尋找二者的聯系，希望能為改進化學合成方法、提高合成產率提供一些啟示。

生物合成和化學合成一樣，也遵循基本的化學反應規律，反應的本質是相同的。只不過由于酶的參與，酶的輔基或酶上的某個保守基團與底物相互作用，固定或增強底物的反應活性，穩定中間體的結構，降低反應的活化能，可使化學反應高效專一地進行。在化學合成中，影響產率的主要是底物的活性、對聚合度的控制以及卟啉原的氧化;而生物合成在這3方面的控制很精密。基于上述生物合成與化學合成的聯系與差別，可以嘗試從以下幾方面對化學合成進行改進。

(1) 在生物合成過程中，底物的反應活性較高。例如，吡咯聚合時，氨基被質子化后經脫氨酶作用迅速形成活潑烯鍵，易于被進攻。而在化學合成中，活潑烯鍵的形成要通過脫水，而在一般條件下自動脫水比較困難。在底物上引入其他適當的離去基團可以促進縮合，有時甚至可以省去最后一步的氧化，直接生成卟啉。Pierre Martin小組2010年報道的[2+2]法就是在底物上引入碘原子，縮合時消除碘化氫和水，不用加氧化劑直接在室溫下生成大環共軛的卟啉[40]。此方法的原理若能推廣至其他卟啉合成方法中，有可能顯著降低反應溫度，提高產率。

(2) 生物合成途徑對副產物的控制非常嚴格，原料利用率較高。吡咯聚合時一端通過巰基與酶相連，只有另一端延伸。當尿卟啉原Ⅲ合成酶催化鏈狀吡咯聚合物的環合時，將聚合度嚴格控制在4，不會生成長鏈吡咯聚合物或者多元環狀吡咯聚合物。這一點若化學合成則實現起來較困難。而且，目前的化學合成都需要酸催化，吡咯在酸性條件下容易因聚合而被破壞。抑制吡咯自身的聚合并精確控制吡咯和醛類的鏈狀聚合物的聚合度尚有待于進一步改善。可以先在酸催化下不斷延伸生成長鏈聚合物，將聚合物的一端固定，再用PBG脫氨酶和尿卟啉原Ⅲ合成酶從另一端進行切割和組裝；或者在反應中加入具有空腔的材料，而空腔的大小恰好能容納四聚體，這樣就能把反應分割成多個單元，抑制聚合物的形成。例如，各種型號的分子篩孔徑大小不同，具有一定的酸性，又能吸水，可以嘗試。此外，既然卟啉能和金屬離子形成配合物，可以模擬冠醚的合成方法，通過金屬離子的模板效應來促進四聚體的形成。

(3) 生物合成途徑的最后一步為芳構化反應，在輔助因子FAD的作用下，以氧氣作為最終的電子受體，實現了大π共軛體系(即卟啉環)的構建。在化學合成模擬生物合成時，聚合和氧化這兩步分別進行，以避免在聚合過程中生成氧化的中間體，阻礙四聚體的形成。最近有文獻報道分別以MnO2和SeO2作為氧化劑，用于卟啉原的氧化，能提高產率。它們雖然易于后處理，但都會污染環境。繼續尋找價格低廉且環境友好的氧化劑，溫和并高效地完成芳構化反應，符合當前綠色化學的發展趨勢和要求。

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